DE102018221778A1 - Probe, as well as a method, device and computer program for producing a probe for scanning probe microscopes - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde für ein Rastersondenmikroskop mit folgenden Schritten: teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und / oder Bearbeiten einer Sondenspitze auf einem Substrat; wobei eine sich zeitlich verändernde Wechselwirkungsposition eines Teilchenstrahls derart kontrolliert wird, dass eine seitliche Oberfläche eines Sockelbereichs der erzeugten und / oder bearbeiteten Sondenspitze eine negative Krümmung aufweist.The present invention relates to a method for producing a probe for a scanning probe microscope with the following steps: particle beam-induced generation and / or processing of a probe tip on a substrate; wherein a time-changing interaction position of a particle beam is controlled in such a way that a lateral surface of a base area of the probe tip produced and / or processed has a negative curvature.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sonde, sowie Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogramm zur Herstellung einer Sonde für Rastersondenmikroskope.The present invention relates to a probe, as well as to methods, a device and a computer program for producing a probe for scanning probe microscopes.
Stand der TechnikState of the art
Rastersondenmikroskope tasten mit einer Sondenspitze eine Probe bzw. deren Oberfläche ab und liefern damit Messdaten zum Erzeugen einer Darstellung der Topographie der Probenoberfläche. Je nach Art der Wechselwirkung zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche werden verschiedene Typen von Rastersondenmikroskopen unterschieden. Häufig werden Rastertunnelmikroskope eingesetzt, bei denen zwischen der Probe und der Sondenspitze, die einander nicht berühren, eine Spannung angelegt wird und der resultierende Tunnelstrom gemessen wird. Beim Rasterkraftmikroskop wird eine Messsonde durch atomare Kräfte der Probenoberfläche, typischerweise attraktive Van-der-Waals-Kräfte und/oder repulsive Kräfte der Austauschwechselwirkung, ausgelenkt.Scanning probe microscopes scan a sample or its surface with a probe tip and thus provide measurement data for generating a representation of the topography of the sample surface. Different types of scanning probe microscopes are distinguished depending on the type of interaction between the probe tip and the sample surface. Scanning tunneling microscopes are frequently used in which a voltage is applied between the sample and the probe tip, which do not touch one another, and the resulting tunneling current is measured. In the atomic force microscope, a measuring probe is deflected by atomic forces on the sample surface, typically attractive Van der Waals forces and / or repulsive forces of the exchange interaction.
Das Herstellen von Sondenspitzen für Rastersondenmikroskope ist ein schwieriger und dadurch teurer Prozess. Dies ist insbesondere der Fall für sehr dünne Sondenspitzen mit einem hohen Aspektverhältnis, die für das Vermessen nanostrukturierter Proben verwendet werden. Solche Sondenspitzen werden konventionell durch teilchenstrahlinduziertes Abscheiden von einem Material auf einem Substrat erzeugt.The manufacture of probe tips for scanning probe microscopes is a difficult and therefore expensive process. This is particularly the case for very thin probe tips with a high aspect ratio, which are used for measuring nanostructured samples. Such probe tips are conventionally produced by particle beam-induced deposition from a material on a substrate.
Beispielsweise beschreibt die Publikation „Tips for scanning tunneling microscopy produced by electron-beam-induced-deposition“
Als Substrat kommen hierbei üblicherweise sogenannte Federbalken (engl. Cantilever) zum Einsatz. Oft sind auf diesen Federbalken pyramidenförmige Standardspitzen angeordnet, auf denen die eigentliche Sondenspitze abgeschieden wird.So-called cantilevers are usually used as the substrate. Often pyramid-shaped standard tips are arranged on these cantilevers, on which the actual probe tip is deposited.
Die Abnutzung solcher dünnen Sondenspitzen mit einem großen Aspektverhältnis ist ein seit langem bekanntes Problem. Insbesondere brechen diese Sondenspitzen häufig ab was zu einem vollständigen Austauschen der Sonde des Rastersondenmikroskop führen kann. Zusätzlich zu den Kosten, die für den Ersatz der Sonde anfallen, führt das Austauschen der Sonde oft zu einem längeren Ausfall des Rastersondenmikroskops, was Folgekosten wie etwa einen durch die Nichtverfügbarkeit des Rastersondenmikroskops bedingten Produktionsausfall verursachen kann.The wear of such thin probe tips with a large aspect ratio has been a long-known problem. In particular, these probe tips frequently break off, which can lead to a complete exchange of the probe of the scanning probe microscope. In addition to the cost of replacing the probe, replacing the probe often results in prolonged failure of the scanning probe microscope, which can result in follow-up costs such as a production loss due to the unavailability of the scanning probe microscope.
Besonders kritisch sind Anwendungen im Bereich der Reparatur von Photomasken für die Photolithographie. Produktverluste bzw. Schäden an der Photomaske durch katastrophales Versagen der Sondenspitzen sind hierbei extrem kostspielig. Deshalb müssen die Sondenspitzen nicht nur sehr hart sein, um den Verschleiß zu minimieren, sondern auch gleichzeitig robust sein, um ein komplettes Abrechen der Sondenspitze zu verhindern. Harte Materialien sind jedoch oft spröde. Sondenspitzen aus harten Materialien sind daher anfälliger für Spitzenbrüche. Schwachstellen im Spitzenaufbau müssen daher systematisch beseitigt werden, da sie die Probleme beim Brechen der Sondenspitzen verschärfen. Typische Schwachstellen sind die Befestigung der Sondenspitze am Substrat, Übergänge von einer Geometrie zu einer anderen oder ein Materialwechsel (siehe
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Reduzierung der Abnutzung von Sondenspitzen von Rastersondenmikroskopen bekannt. Beispielsweise beschreibt die deutsche Patentanmeldung
Zusätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, die eigentliche Sondenspitze nicht direkt auf dem Substrat abzuscheiden, sondern in einem ersten Schritt einen Sockel auf dem Substrat abzuscheiden und die eigentliche Sondenspitze dann auf dem Sockel zu erzeugen (siehe
Darüber hinaus ist aus dem deutschen Patent
Ein weiteres Verfahren zur Reduktion der Spitzenabnutzung ist auch aus der Publikation „Direct patterning ofsurface quantum wells with an atomic force microscope“,
Die Dokumente
Zusätzlich sei auf die folgenden Veröffentlichungen verwiesen:
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J. H. Kindt, G. E. Fantner, J. B. Thompson und P. K. Hansma, „Automaten wafer-scale fabrication of electron beam deposited tipsfor atomic force microscopes using pattern recognition,“ Nanotechnology, Bd. 15, pp. 1131-1134, 2004 -
D. Freeman, B. Luther-Davies und S. Madden, „Real-Time Drift Correction of a Focused Ion Beam Milling System,“ in NSTI-Nanotech, 2006 -
C. J. Lobo, A. Martin, M. R. Phillips und M. Toth, „Electron beam induced chemical dry etching and imaging in gaseous NH3 environments,“ Nanotechnology, Nr. 23, pp. 1-7, 2012 - Produktdatenblatt: „Supersharp high aspect ratio AFM tipsforfine features, Type: HDC-40 / HDC-30 / HDC-20,“ nanotools GmbH, [Online]. Verfügbar unter: http://www.nanotools.com/cms/upload/productflyer/HDC-Fine-Features_2017-09-R003.pdf.
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JH Kindt, GE Fantner, JB Thompson and PK Hansma, "Automaten wafer-scale fabrication of electron beam deposited tips for atomic force microscopes using pattern recognition," Nanotechnology, Vol. 15, pp. 1131-1134, 2004 -
D. Freeman, B. Luther-Davies and S. Madden, “Real-Time Drift Correction of a Focused Ion Beam Milling System,” in NSTI-Nanotech, 2006 -
CJ Lobo, A. Martin, MR Phillips and M. Toth, "Electron beam induced chemical dry etching and imaging in gaseous NH3 environments," Nanotechnology, No. 23, pp. 1-7, 2012 - Product data sheet: "Supersharp high aspect ratio AFM tipsforfine features, type: HDC-40 / HDC-30 / HDC-20," nanotools GmbH, [Online]. Available at: http://www.nanotools.com/cms/upload/productflyer/HDC-Fine-Features_2017-09-R003.pdf.
Dennoch bleibt die Reduktion der Abnutzung von dünnen Sondenspitzen eines der dringenden Probleme bei der Verbesserung der Rastersondenmikroskopie.However, reducing wear on thin probe tips remains one of the most pressing problems in improving scanning probe microscopy.
Weiter Probleme bei der Herstellung von Sonden für Rastersondenmikroskope mit dünnen Sondenspitzen bestehen in der Reproduzierbarkeit der Herstellung, der langen Herstellungsdauer, der schwierigen Automatisierbarkeit des Herstellungsprozesses sowie bei der Konstruktion und Herstellung von sondergefertigten, anwendungsspezifischen Sonden.Further problems in the manufacture of probes for scanning probe microscopes with thin probe tips are the reproducibility of the manufacture, the long manufacturing time, the difficult automation of the manufacturing process, and in the design and manufacture of custom-made, application-specific probes.
Folglich besteht ein fortwährendes Interesse daran, die aus dem Stand der Technik bekannten Sonden, deren Herstellungsverfahren sowie Vorrichtungen zur Herstellung solcher Sonden zu verbessern und dadurch die Nachteile des Stands der Technik zu beheben oder zumindest zu verringern.Consequently, there is an ongoing interest in improving the probes known from the prior art, their production methods and devices for producing such probes and thereby eliminating or at least reducing the disadvantages of the prior art.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die oben angeführten Probleme werden zumindest teilweise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Erfindung gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The above problems are at least partially solved by the subject matter of the independent claims of the present invention. Exemplary embodiments are described in the dependent claims.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde für ein Rastersondenmikroskop bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und / oder Bearbeiten einer Sondenspitze auf einem Substrat; wobei eine Wechselwirkungsposition eines Teilchenstrahls derart kontrolliert wird, dass eine seitliche Oberfläche eines Sockelbereichs der erzeugten und / oder bearbeiteten Sondenspitze eine negative Krümmung aufweistIn one embodiment, the present invention provides a method for producing a probe for a scanning probe microscope, the method comprising the following steps: particle beam-induced generation and / or processing of a probe tip on a substrate; wherein an interaction position of a particle beam is controlled in such a way that a lateral surface of a base region of the probe tip produced and / or processed has a negative curvature
Unter einer negativen Krümmung ist hierbei und im Folgenden ein negativer Wert der sogenannten Gaußschen Krümmung K zu verstehen. Diese ist mit den beiden sogenannten Hauptkrümmungen k1 und k2 der Oberfläche des Sockelbereichs über die Gleichung
Beispielsweise gilt für eine Kugeloberfläche k1 > 0, k2 > 0, K = const > 0 und für die Oberfläche eines Konus oder eines Zylinders k1 > 0, k2 = 0, K = 0. Ein Beispiel für eine Oberfläche mit negativer Krümmung ist die sog. Pseudosphäre bzw. der Traktikoid (d.h. der Rotationskörper einer Traktrix) mit k1 < 0, k2 > 0 und K = const < 0.For example, for a spherical surface k 1 > 0, k 2 > 0, K = const> 0 and for the surface of a cone or a cylinder k 1 > 0, k 2 = 0, K = 0. An example of a surface with a negative Curvature is the so-called pseudosphere or the tracticoid (ie the rotating body of a tractrix) with k 1 <0, k 2 > 0 and K = const <0.
Insbesondere kann im Wesentlichen die gesamte seitliche Oberfläche des Sockelbereichs die gewünschte negative Krümmung aufweisen. Der Begriff „im Wesentlichen“ ist hierbei und im Folgenden als „innerhalb typischer Design-, Berechnungs-, Mess- und / oder Fertigungstoleranzen“ zu verstehen.In particular, essentially the entire lateral surface of the base region can have the desired negative curvature. The term “essentially” is to be understood here and in the following as “within typical design, calculation, measurement and / or manufacturing tolerances”.
Hierbei kann das Erzeugen der Sondenspitze beispielsweise ein teilchenstrahlinduziertes Abscheiden zumindest eines Materials und / oder ein teilchenstrahlinduziertes Ätzen mit zumindest einem Ätzgas umfassen.The generation of the probe tip can include, for example, a particle beam-induced deposition of at least one material and / or a particle beam-induced etching with at least one etching gas.
Durch das kontrollierte Erzeugen eines negativ gekrümmten Sockelbereichs kann einerseits sichergestellt werden, dass die Verbindungsfläche zwischen Substrat und Sockelbereich groß genug ist, um ein Ablösen des Sockelbereichs von dem Substrat zu unterbinden und andererseits, dass der Sockelbereich kontinuierlich und ohne wesentliche Inhomogenitäten in den oberen Bereich der Sondenspitze übergeht. Zusätzlich führt die negative Krümmung der seitlichen Oberfläche dazu, dass der mittlere Durchmesser des Sockelbereichs schnell genug abnimmt, sodass trotz einer großen Verbindungsfläche des Sockelbereichs mit dem Substrat, ein großes Aspektverhältnis der Sondenspitze gewährleistet bleibt (siehe
Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das abgeschiedene Material aus zumindest einem Vorläufermaterial erhalten werden. Als Vorläufermaterial kommen zum Beispiel eine oder mehrere der folgenden Substanzen in Frage:
- - (Metall-, Übergangselemente-, Hauptgruppen-) Alkyle wie Cyclopentadienyl (Cp)- bzw. Methylcyclopentadienyl (MeCp)- trimethyl-platin (CpPtMe3 bzw. MeCpPtMe3), Tetramethylzinn SnMe4, Trimethylgallium GaMe3, Ferrocen Cp2Fe, bis-aryl-Chrom Ar2Cr und weitere solche Verbindungen;
- - (Metall-, Übergangselemente-, Hauptgruppen-) Carbonyle wie Chromhexacarbonyl Cr(CO)6, Molybdänhexacarbonyl Mo(CO)6, Wolframhexacarbonyl W(CO)6, Dicobaltoctacarbonyl Co2(CO)8, Trirutheniumdodecacarbonyl Ru3(CO)12, Eisenpentacarbonyl Fe(CO)5 und weitere solche Verbindungen;
- - (Metall-, Übergangselemente-, Hauptgruppen-) Alkoxyde wie Tetraethoxysilan Si(OC2H5), Tetraisopropoxytitan Ti(OC3H7)4 und weitere solche Verbindungen;
- - (Metall-, Übergangselemente-, Hauptgruppen-) Halogenide wie WF6, WCl6, TiCl6, BCl3, SiCl4 und weitere solche Verbindungen;
- - (Metall-, Übergangselemente-, Hauptgruppen-) Komplexe wie Kupfer-bishexafluoroacetylacetonat Cu(C5F6HO2)2, Dimethyl-goldtrifluoroacetylacetonat Me2Au(C5F3H4O2) und weitere solche Verbindungen;
- - Organische Verbindungen wie CO, CO2, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, Bestandteile von Vakuum-Pumpen-Öl, volatile organische Verbindungen und weitere solche Verbindungen.
- - (metal, transition elements, main group) alkyls such as cyclopentadienyl (Cp) - or methylcyclopentadienyl (MeCp) - trimethylplatinum (CpPtMe3 or MeCpPtMe3), tetramethyltin SnMe4, trimethylgallium GaMe3, ferrocen Cr2-chromium to Arp-Arp-Arp to and other such compounds;
- - (metal, transition elements, main group) carbonyls such as chromium hexacarbonyl Cr (CO) 6, molybdenum hexacarbonyl Mo (CO) 6, tungsten hexacarbonyl W (CO) 6, dicobaltoctacarbonyl Co2 (CO) 8, triruthenium dodecacarbonyl Ru3 (CO) 12, iron pentacarbonyl Fe (CO) 5 and other such compounds;
- - (Metal, transition elements, main group) alkoxides such as tetraethoxysilane Si (OC2H5), tetraisopropoxytitanium Ti (OC3H7) 4 and other such compounds;
- - (Metal, transition elements, main group) halides such as WF6, WCl6, TiCl6, BCl3, SiCl4 and other such compounds;
- - (metal, transition element, main group) complexes such as copper bishexafluoroacetylacetonate Cu (C5F6HO2) 2, dimethyl gold trifluoroacetylacetonate Me2Au (C5F3H4O2) and other such compounds;
- - Organic compounds such as CO, CO2, aliphatic or aromatic hydrocarbons, components of vacuum pump oil, volatile organic compounds and other such compounds.
Des Weiteren kann während des Erzeugens oder Bearbeitens der Sondenspitze auf dem Substrat eines oder mehrere der folgende Zusatzgase zur Anwendung kommen:
- - Oxidationsstoffe wie O2, O3, H2O, H2O2, N2O, NO, NO2, HNO3 und weitere sauerstoffhaltige Gase;
- - Halogenide wie Cl2, HCl, XeF2, HF, I2, HI, Br2, HBr, NOCl, PCl3, PCl5, PF3 und weitere halogenhaltige Gase.
- - Gase mit reduzierender Wirkung wie H2, NH3, CH4 und weitere wasserstoffhaltige Gase.
- - Oxidants such as O2, O3, H2O, H2O2, N2O, NO, NO2, HNO3 and other oxygen-containing gases;
- - Halides such as Cl2, HCl, XeF2, HF, I2, HI, Br2, HBr, NOCl, PCl3, PCl5, PF3 and other halogen-containing gases.
- - Gases with a reducing effect such as H2, NH3, CH4 and other gases containing hydrogen.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren zusätzlich umfassen: teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und / oder Bearbeiten eines Whiskerbereichs oberhalb des Sockelbereichs der Sondenspitze; oder teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und / oder Bearbeiten eines Whiskerbereichs oberhalb des Sockelbereichs der Sondenspitze und eines Mittelbereichs zwischen Sockelbereich und Whiskerbereich der Sondenspitze, wobei die seitliche Oberfläche des Mittelbereichs nicht negativ gekrümmt ist.In further embodiments of the present invention, the method can additionally comprise: particle beam-induced generation and / or processing of a whisker region above the base region of the probe tip; or particle beam-induced generation and / or processing of a whisker area above the base area of the probe tip and a central area between the base area and the whisker area of the probe tip, the lateral surface of the central area not being negatively curved.
Beispielsweise kann der Mittelbereich die Form eines Zylinders oder eines Konus bzw. mehrere Konusse aufweisen.For example, the central region can have the shape of a cylinder or a cone or a plurality of cones.
In einigen Ausführungsformen wird die Wechselwirkungsposition des Teilchenstrahls dabei derart kontrolliert, dass der Sockelbereich kontinuierlich in den Whiskerbereich oder in den Mittelbereich der Sondenspitze übergeht, ohne dass die negative Krümmung der seitlichen Oberfläche der Sondenspitze positiv wird. Beispielsweise kann die Sondenspitze im Wesentlichen die Form einer Pseudosphäre haben oder die Form eines Rotationskörpers eines Kreisabschnitts (siehe Gleichung 2 unten).In some embodiments, the interaction position of the particle beam is controlled in such a way that the base region continuously merges into the whisker region or into the central region of the probe tip, without the negative curvature of the lateral surface of the probe tip becoming positive. For example, the probe tip may be essentially in the form of a pseudosphere or the shape of a body of revolution in a circular section (see equation 2 below).
Dadurch kann erreicht werden, dass die Sondenspitze keinerlei Schwachstellen aufweist wie zum Beispiel ein unstetiger Übergang zwischen Sockelbereich und Whiskerbereich oder eine Übergangsregion zwischen zwei Konusbereichen mit unterschiedlichem Grundflächendurchmesser. Insbesondere können dadurch Bereiche der Sondenspitze mit erhöhter Kerbwirkung vermieden werden und / oder die Kerbwirkung auf die gesamte Sondenspitze oder einen Teil davon kann dadurch minimiert werden. Beispielsweise kann der Radius des Sockelbereichs als Funktion der Höhe so gewählt werden, dass die Kerbwirkung im Bereich des Fußpunktes des Sockelbereichs minimiert wird. Dies kann im Allgemeinen durch eine negative Krümmung der seitlichen Sockeloberfläche erreicht werden.It can thereby be achieved that the probe tip has no weak points, such as an inconsistent transition between the base region and the whisker region or a transition region between two cone regions with different base surface diameters. In particular, areas of the probe tip with an increased notch effect can thereby be avoided and / or the notch effect on the entire probe tip or a part thereof can be minimized. For example, the radius of the base area as a function of the height can be selected such that the notch effect in the area of the base point of the base area is minimized. This can generally be achieved by negative curvature of the side base surface.
Ferner kann der Whiskerbereich eine Höhe von zumindest 10 nm, bevorzugt von zumindest 50 nm, mehr bevorzugt von zumindest 100 nm, noch mehr bevorzugt von zumindest 500 nm und am meisten bevorzugt von zumindest 1000 nm aufweisen. Furthermore, the whisker area can have a height of at least 10 nm, preferably of at least 50 nm, more preferably of at least 100 nm, even more preferably of at least 500 nm and most preferably of at least 1000 nm.
Ferner kann der Whiskerbereich einen mittleren Radius von höchstens 30 nm, bevorzugt von höchstens 20 nm, mehr bevorzugt von höchstens 10 nm, noch mehr bevorzugt von höchstens 5 nm und am meisten bevorzugt von höchstens 3 nm aufweisen.Furthermore, the whisker region can have an average radius of at most 30 nm, preferably of at most 20 nm, more preferably of at most 10 nm, even more preferably of at most 5 nm and most preferably of at most 3 nm.
Ferner kann der Sockelbereich eine Höhe von zumindest 20 nm, bevorzugt von zumindest 100 nm, mehr bevorzugt von zumindest 250 nm, noch mehr bevorzugt von zumindest 500 nm und am meisten bevorzugt von zumindest 1000 nm aufweisen.Furthermore, the base region can still have a height of at least 20 nm, preferably of at least 100 nm, more preferably of at least 250 nm more preferably at least 500 nm and most preferably at least 1000 nm.
Ferner kann dasjenige Ende des Sockelbereichs, das auf dem Substrat angeordnet ist, einen mittleren Radius von zumindest 25 nm, bevorzugt von zumindest 100 nm, mehr bevorzugt vom zumindest 300 nm, noch mehr bevorzugt von zumindest 750 nm und am meisten bevorzugt von zumindest 1500 nm aufweisen.Furthermore, that end of the base region which is arranged on the substrate can have an average radius of at least 25 nm, preferably of at least 100 nm, more preferably of at least 300 nm, even more preferably of at least 750 nm and most preferably of at least 1500 nm exhibit.
Ferner kann in einigen Ausführungsformen eine der Hauptkrümmungen der Oberfläche des Sockelbereichs negativ und im Wesentlichen konstant sein. Insbesondere kann die negative Hauptkrümmung der Oberfläche des Sockelbereichs zumindest 1/(1000 nm), bevorzugt zumindest 1/(500 nm), mehr bevorzugt 1/(100 nm) und am meisten bevorzugt zumindest 1/(10 nm) betragen, dabei bevorzugt jedoch höchstens den Kehrwert der Höhe des Sockelbereichs.Furthermore, in some embodiments, one of the major curvatures of the surface of the base region may be negative and substantially constant. In particular, the main negative curvature of the surface of the base region can be at least 1 / (1000 nm), preferably at least 1 / (500 nm), more preferably 1 / (100 nm) and most preferably at least 1 / (10 nm), but in this case preferably at most the reciprocal of the height of the base area.
Durch die oben spezifizierten Abmessungen des Sockelbereichs und des Whiskerbereichs kann sichergestellt werden, dass die Abnutzung der Sondenspitze signifikant reduziert wird, ohne dass dabei das räumliche Auflösungsvermögen der Sonde beeinträchtigt wird. Insbesondere nimmt der Durchmesser des Sockelbereichs als Funktion der Höhe des Sockelbereichs schnell genug ab um ein hohes Aspektverhältnis zu erzielen, was insbesondere für die Vermessung von tiefen, nanostrukturierten Gräben essentiell ist.The dimensions of the base area and the whisker area specified above can ensure that the wear of the probe tip is significantly reduced without impairing the spatial resolution of the probe. In particular, the diameter of the base area decreases as a function of the height of the base area quickly enough to achieve a high aspect ratio, which is essential, in particular, for the measurement of deep, nanostructured trenches.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Whiskerbereich eine Höhe von zumindest 10 nm und höchstens 1000 nm, bevorzugt von zumindest 30 nm und höchstens 700 nm und mehr bevorzugt von zumindest 50 nm und höchstens 400 nm aufweisen.In some embodiments of the present invention, the whisker area can have a height of at least 10 nm and at most 1000 nm, preferably of at least 30 nm and at most 700 nm and more preferably of at least 50 nm and at most 400 nm.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Whiskerbereich einen mittleren Radius von zumindest 3 nm und höchstens 30 nm, bevorzugt von zumindest 5 nm und höchstens 25 nm und mehr bevorzugt von zumindest 5 nm und höchstens 20 nm aufweisen.In some embodiments of the present invention, the whisker region can have an average radius of at least 3 nm and at most 30 nm, preferably of at least 5 nm and at most 25 nm and more preferably of at least 5 nm and at most 20 nm.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Sockelbereich eine Höhe von zumindest 20 nm und höchstens 1000 nm, bevorzugt von zumindest 50 nm und höchstens 700 nm und mehr bevorzugt von zumindest 100 nm und höchstens 500 nm aufweisen.In some embodiments of the present invention, the base region can have a height of at least 20 nm and at most 1000 nm, preferably of at least 50 nm and at most 700 nm and more preferably of at least 100 nm and at most 500 nm.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann dasjenige Ende des Sockelbereichs, das auf dem Substrat angeordnet ist, einen mittleren Radius von zumindest 25 nm und höchstens 1500 nm, bevorzugt von zumindest 40 nm und höchstens 1000 nm und mehr bevorzugt von zumindest 50 nm und höchstens 1500 nm aufweisen.In some embodiments of the present invention, that end of the base region which is arranged on the substrate can have an average radius of at least 25 nm and at most 1500 nm, preferably of at least 40 nm and at most 1000 nm and more preferably of at least 50 nm and at most 1500 nm.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die negative Hauptkrümmung der Oberfläche des Sockelbereichs zumindest 1/(1500 nm) und höchstens 1/(20 nm), bevorzugt zumindest 1/(800 nm) und höchstens 1/(50 nm) und mehr bevorzugt zumindest 1/(500 nm) und höchstens 1/(100 nm) betragen, dabei bevorzugt jedoch höchstens den Kehrwert der Höhe des Sockelbereichs.In some embodiments of the present invention, the major negative curvature of the surface of the base region can be at least 1 / (1500 nm) and at most 1 / (20 nm), preferably at least 1 / (800 nm) and at most 1 / (50 nm) and more preferably at least 1 / (500 nm) and at most 1 / (100 nm), but preferably at most the reciprocal of the height of the base region.
Ferner kann die Wechselwirkungsposition des Teilchenstrahls derart gesteuert werden, dass der Sockelbereich und / oder der Mittelbereich der Sondenspitze Schicht für Schicht erzeugt werden, wobei der Teilchenstrahl je Schicht entlang von im Wesentlichen ellipsenförmigen, bevorzugt kreisförmigen, Flächen gesteuert wird.Furthermore, the interaction position of the particle beam can be controlled such that the base region and / or the central region of the probe tip are generated layer by layer, the particle beam per layer being controlled along essentially elliptical, preferably circular, surfaces.
Insbesondere kann dabei zumindest eine Halbachse der ellipsenförmigen Flächen eine Funktion der Höhendifferenz zwischen der zugehörigen Schicht und der Oberfläche des Substrats sein, wobei die Funktion einen Abschnitt einer Ellipse, insbesondere eines Kreises, beschreibt.In particular, at least one semiaxis of the elliptical surfaces can be a function of the height difference between the associated layer and the surface of the substrate, the function describing a section of an ellipse, in particular a circle.
Beispielsweise kann der Radius r der kreisförmigen Flächen mit der Höhe h der zugehörigen kreisförmigen Schicht über die folgende Gleichung verknüpft sein:
Als weiteres Beispiel erhält man mit H = 500 nm, rk = 750 nm und rH = 10 nm einen negativ gekrümmten Sockelbereich mit einem unteren Durchmesser von ca. 400 nm einer Gesamthöhe von 500 nm und einem oberen Durchmesser von 20 nm. Dabei beträgt der Durchmesser des Sockelbereichs bei einer Höhe von 300 nm nur noch ca. 74nm.As a further example, with H = 500 nm, r k = 750 nm and r H = 10 nm, a negatively curved base region with a lower diameter of approximately 400 nm, a total height of 500 nm and an upper diameter of 20 nm is obtained the diameter of the base area at a height of 300 nm is only approx. 74 nm.
Durch weiteres Abscheiden von Material auf der obersten Schicht des Sockelbereichs kann nun ein Whiskerbereich auf dem Sockelbereich erzeugt werden. Beispielsweise beträgt dabei der Durchmesser des Whiskerbereichs 2 × rH. Im obigen Beispiel hat der Whiskerbereich dann einen Durchmesser von 20 nm. Die Länge des Whiskerbereichs kann dabei nahezu beliebig eingestellt werden. Beispielsweise können Whiskerbereiche mit einer Länge von 400 nm oder gar 1000 nm erzeugt werden. By further depositing material on the uppermost layer of the base area, a whisker area can now be created on the base area. For example, the diameter of the whisker area is 2 × r H. In the example above, the whisker area then has a diameter of 20 nm. The length of the whisker area can be set almost as desired. For example, whisker areas with a length of 400 nm or even 1000 nm can be generated.
Dadurch kann eine Sondenspitze erzeugt werden, bei der ein negativ gekrümmter Sockelbereich kontinuierlich in einen Whiskerbereich übergeht ohne, dass die Krümmung der Sondenspitze jemals positiv wird. Formbedingte Schwachstellen der Sondenspitze (siehe
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Abrasterparameter des Teilchenstrahls dabei so gewählt werden, dass beim einmaligem Abrastern mit dem Teilchenstrahl nur ein Bruchteil einer Schicht - mit einer Dicke, die im Wesentlichen dem Abstand des atomaren Kristallgitters entspricht - deponiert wird. So kann eine im Wesentlichen kontinuierlicher Sondenspitze ohne einen diskreten Schichtaufbau erzeugt werden, wie es beispielsweise bei Verfahren wie Atomlagenepitaxie oder Atomlagenabscheidung der Fall sein kann.In some embodiments of the present invention, the scanning parameters of the particle beam can be selected such that when scanning once with the particle beam, only a fraction of a layer - with a thickness that essentially corresponds to the spacing of the atomic crystal lattice - is deposited. An essentially continuous probe tip can be produced without a discrete layer structure, as can be the case, for example, in processes such as atomic layer epitaxy or atomic layer deposition.
Ferner kann in einigen Ausführungsformen das teilchenstrahlinduzierte Erzeugen und / oder Bearbeiten der Sondenspitze während des Herstellens der Sonde für eine bestimmbare Zeitdauer, bevorzugt für höchstens 1000 ms, mehr bevorzugt für höchstens 500 ms und am meisten bevorzugt für höchstens 50 ms zumindest einmal unterbrochen werden.Furthermore, in some embodiments, the particle beam-induced generation and / or processing of the probe tip can be interrupted at least once for a determinable period of time during the manufacture of the probe, preferably for at most 1000 ms, more preferably for at most 500 ms and most preferably for at most.
Beispielsweise kann der Teilchenstrahl, nachdem eine Schicht der Sondenspitze erzeugt worden ist, für eine vorbestimmte Dauer in eine Ruheposition bewegt werden.For example, after a layer of the probe tip has been generated, the particle beam can be moved into a rest position for a predetermined duration.
Dadurch kann beim teilchenstrahlinduzierten Abscheiden des Spitzenmaterials aus der Gasphase beispielsweise erreicht werden, dass die Konzentration des Vorläufergases im relevanten Wechselwirkungsvolumen während des Erzeugens der Sondenspitze im Wesentlichen konstant gehalten wird.As a result, during the particle beam-induced deposition of the tip material from the gas phase, it can be achieved, for example, that the concentration of the precursor gas in the relevant interaction volume is kept essentially constant during the generation of the probe tip.
In dieser Weise kann die gewünschte Form der Sondenspitze effizient und einfach erzeugt werden und dabei gleichzeitig eine möglichst homogene Dichte und Materialzusammensetzung der Sondenspitze erreicht werden, was das Auftreten von strukturellen Schwachstellen der Sondenspitze zusätzlich reduziert.In this way, the desired shape of the probe tip can be generated efficiently and simply and at the same time the most homogeneous density and material composition of the probe tip can be achieved, which additionally reduces the occurrence of structural weak points of the probe tip.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner den Schritt des Justierens des Teilchenstrahls vor und / oder während des Herstellens der Sonde basierend auf einer teilchenoptischen Messung zumindest eines Teils des Substrats und / oder der zu erzeugenden Sondenspitze umfassen.In some embodiments, the method may further include the step of adjusting the particle beam before and / or during manufacture of the probe based on a particle optical measurement of at least a portion of the substrate and / or the probe tip to be generated.
Insbesondere kann das Justieren des Teilchenstrahls zumindest teilweise auf zumindest einer auf dem Substrat angebrachten, insbesondere darauf abgeschiedenen, Markierung basieren.In particular, the adjustment of the particle beam can be based at least in part on at least one marking made on the substrate, in particular deposited thereon.
Beispielsweise kann das Justieren des Teilchenstrahls zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:
- a. Anpassen einer Fokusposition des Teilchenstrahls;
- b. Korrigieren eines Strahlfehlers des Teilchenstrahls;
- c. Korrigieren eines Astigmatismus des Teilchenstrahls;
- d. Anpassen des Teilchenflusses des Teilchenstrahls; und
- e. Anpassen der mittleren kinetischen Energie der Teilchen des Teilchenstrahls.
- a. Adjusting a focus position of the particle beam;
- b. Correcting a beam error of the particle beam;
- c. Correcting astigmatism of the particle beam;
- d. Adjusting the particle flow of the particle beam; and
- e. Adjusting the average kinetic energy of the particles of the particle beam.
In dieser Weise können während des Herstellens der Sonde auftretende Verschiebungen des Substrats und / oder des Teilchenstrahls aktiv korrigiert werden und dadurch die Qualität der erzeugten Sondenspitze sowie die Reproduzierbarkeit des Herstellungsverfahrens verbessert werden.In this way, displacements of the substrate and / or the particle beam that occur during the manufacture of the probe can be actively corrected, thereby improving the quality of the probe tip produced and the reproducibility of the manufacturing process.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner den Schritt des elektrischen Entladens der Sonde, vorzugsweise durch Wechselwirkung mit Ionen aus einem Plasma, umfassen.In some embodiments, the method may further include the step of electrically discharging the probe, preferably by interacting with ions from a plasma.
Dadurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Sonde während des Erzeugens der Sondenspitze elektrisch neutral bleibt und dadurch die Trajektorien der Teilchen des Teilchenstrahls nicht beeinflusst. Zusätzlich führt das Entladen der Sonde auch dazu das die Sonde im anschließenden Betrieb in einem Rastersondenmikroskop elektrisch neutral bleibt, was die Qualität von Rastersondenmikroskop-Messungen erhöhen kann.This can ensure, for example, that the probe remains electrically neutral during the generation of the probe tip and thus does not influence the trajectories of the particles of the particle beam. In addition, the discharge of the probe also means that the probe remains electrically neutral in subsequent operation in a scanning probe microscope, which can increase the quality of scanning probe microscope measurements.
Zusätzlich kann wie in
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Sonden für Rastersondenmikroskope umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen von einem ersten und zumindest einem zweiten Substrat; Erzeugen eines Referenzbildes des ersten Substrats; Erzeugen von zumindest einem Objektbild des zumindest zweiten Substrats; Bestimmen zumindest einer Transformation zwischen dem Referenzbild und dem zumindest einen Objektbild; und teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und / oder Bearbeiten zumindest einer Sondenspitze auf dem zumindest zweiten Substrat basierend auf der zumindest einen bestimmten Transformation. Another embodiment of the present invention relates to a method for producing probes for scanning probe microscopes, comprising the following steps: providing a first and at least a second substrate; Generating a reference image of the first substrate; Generating at least one object image of the at least second substrate; Determining at least one transformation between the reference image and the at least one object image; and particle beam-induced generation and / or processing of at least one probe tip on the at least second substrate based on the at least one specific transformation.
Insbesondere, kann beim Bestimmen der zumindest einen Transformation ein aus dem Bereich der Bildregistrierung bekanntes Verfahren verwendet werden.In particular, a method known from the field of image registration can be used when determining the at least one transformation.
Mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens kann erreicht werden, dass die Sondenspitze auf dem zumindest zweiten Substrat im Wesentlichen an der gleichen Position wie die Sondenspitze des ersten Substrats erzeugt wird. Insbesondere erlaubt es das Verfahren die Herstellung einer Vielzahl von Sondenspitzen auf einer Vielzahl von Substraten zu automatisieren.With the aid of the method described above, it can be achieved that the probe tip on the at least second substrate is generated essentially at the same position as the probe tip of the first substrate. In particular, the method allows the production of a large number of probe tips to be automated on a large number of substrates.
Beispielsweise kann es das Verfahren ermöglichen, dass nur die Position der Sondenspitze auf dem ersten Substrat manuell eingestellt werden muss und alle weiteren Positionen aller weiteren zu erzeugenden Sondenspitzen automatisch bestimmt werden.For example, the method can make it possible that only the position of the probe tip on the first substrate has to be set manually and all further positions of all further probe tips to be generated be determined automatically.
Das Verfahren kann ferner das Bestimmen einer Höhendifferenz zwischen dem ersten und dem zumindest zweiten Substrat, vorzugsweise durch ein lichtoptisches Messverfahren, umfassen. Beispielsweise kann hierbei ein interferometrisch arbeitender optischer Höhensensor verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Funktionsweise des Höhensensors auch auf dem Bestimmen von chromatischen Aberrationen basieren, wie etwa in der
Das Verfahren kann ferner das automatische Justieren eines Teilchenstrahls basierend auf zumindest einer teilchenoptischen Messung des jeweiligen Substrats umfassen.The method can further comprise automatically adjusting a particle beam based on at least one particle-optical measurement of the respective substrate.
Das Verfahren kann ferner das Erzeugen von zumindest einer, vorzugsweise zwei, Markierung auf dem Substrat jeweils neben der zu erzeugenden Sondenspitze umfassen. Insbesondere können jeweils auf einer Seite neben der eigentlichen Sondenspitzen zwei weitere Sondenspitzen oder Whiskerbereiche erzeugt werden, die als Markierungen und / oder Referenzobjekte für die Justage der Teilchenstrahloptik dienen können.The method can further comprise the production of at least one, preferably two, markings on the substrate in each case next to the probe tip to be produced. In particular, in addition to the actual probe tips, two further probe tips or whisker areas can be generated on each side, which can serve as markings and / or reference objects for the adjustment of the particle beam optics.
Insbesondere kann das automatische Justieren des Teilchenstrahls ein automatisches Justieren eines Fokus und / oder ein automatisches Korrigieren eines Astigmatismus des Teilchenstrahls umfassen.In particular, the automatic adjustment of the particle beam can include an automatic adjustment of a focus and / or an automatic correction of an astigmatism of the particle beam.
Zusätzlich kann das Verfahren auch den Schritt des Erzeugens zumindest einer Testspitze auf dem ersten Substrat und / oder dem zumindest zweiten Substrat umfassen.In addition, the method can also include the step of generating at least one test tip on the first substrate and / or the at least second substrate.
Eine solche Testspitze kann beispielsweise dazu verwendet werden um die korrekte Justage des Teilchenstrahls zu überprüfen.Such a test tip can be used, for example, to check the correct alignment of the particle beam.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde für ein Rastersondenmikroskop mit den folgenden Schritten bereit: Konstruieren eines Sondenspitzendesigns basierend auf einer Mehrzahl von auswählbaren Untereinheiten; und teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und /oder Bearbeiten einer Sondenspitze auf einem Substrat zumindest teilweise basierend auf dem konstruierten Sondenspitzendesign.In another embodiment, the present invention provides a method of making a probe for a scanning probe microscope, comprising the steps of: constructing a probe tip design based on a plurality of selectable subunits; and particle beam-induced generation and / or processing of a probe tip on a substrate based at least in part on the constructed probe tip design.
Insbesondere kann das Konstruieren des Sondenspitzendesigns das Festlegen von zumindest einem Parameter von zumindest einer der auswählbaren Untereinheiten umfassen, wobei der zumindest eine Parameter zumindest eines der folgenden umfasst:
- a. eine geometrische Form der zumindest einen auswählbaren Untereinheit;
- b. eine Abmessung der zumindest einen auswählbaren Untereinheit;
- c. eine Krümmung einer Oberfläche der zumindest einen auswählbaren Untereinheit;
- d. eine Steigung einer Oberfläche der zumindest einen auswählbaren Untereinheit;
- e. ein Material der zumindest einen auswählbaren Untereinheit; und
- f. eine Dichte der zumindest einen auswählbaren Untereinheit.
- a. a geometric shape of the at least one selectable subunit;
- b. a dimension of the at least one selectable subunit;
- c. a curvature of a surface of the at least one selectable subunit;
- d. a slope of a surface of the at least one selectable subunit;
- e. a material of the at least one selectable subunit; and
- f. a density of the at least one selectable subunit.
Beispielsweise kann die Mehrzahl von auswählbaren Untereinheiten zumindest einen Sockelbereich, zumindest einen Whiskerbereich, zumindest einen Mittelbereich und zumindest eine Kappe des Sondenspitzendesigns umfassen.For example, the plurality of selectable subunits can include at least one base area, at least one whisker area, at least one middle area and at least one cap of the probe tip design.
Das bereitgestellte Verfahren ermöglicht es beispielsweise, sondergefertigte, anwendungsspezifische Sonden für Rastersondenmikroskope in einfacher und effizienter Weise zu konstruieren und herzustellen.The method provided makes it possible, for example, to design and manufacture custom, application-specific probes for scanning probe microscopes in a simple and efficient manner.
Insbesondere ermöglicht es das Zusammenstellen eines Sondenspitzendesigns aus einer vorbestimmten Mehrzahl an Untereinheiten (Baukastenprinzip) auch einem Anwender, der sich ggf. mit der Herstellung von solchen Sondenspitzen nur rudimentär auskennt, in wenigen Schritten eine funktionstüchtige und auch herstellbare Sondenspitze zu konstruieren. In particular, the compilation of a probe tip design from a predetermined plurality of subunits (modular principle) also enables a user who may be only rudimentary to manufacture such probe tips to construct a functional and also producible probe tip in just a few steps.
Insbesondere kann das Verfahren ferner umfassen: computergestütztes Überprüfen, ob das Sondenspitzendesign durch teilchenstrahlinduziertes Erzeugen und /oder Bearbeiten auf einem Substrat herstellbar ist, wobei das Überprüfen zumindest eine Randbedingung des teilchenstrahlinduzierten Erzeugens oder Bearbeitens und / oder zumindest eine Konsistenzbedingung des Sondenspitzendesigns berücksichtigt.In particular, the method can further comprise: computer-aided checking whether the probe tip design can be produced by particle beam-induced generation and / or processing on a substrate, the checking taking into account at least one boundary condition of the particle beam-induced generation or processing and / or at least one consistency condition of the probe tip design.
Beispielsweise kann ein solches Überprüfen auf einem sog. Design Rule Check (DRC) basieren, wie es beispielsweise aus der Fertigung von Leiterplatten, CNC-Bauteilen oder der additiven Fertigung bekannt ist.For example, such a check can be based on a so-called Design Rule Check (DRC), as is known, for example, from the manufacture of printed circuit boards, CNC components or additive manufacturing.
In dieser Weise kann sichergestellt werden, dass der Anwender nur solche Untereinheiten und Konstruktionsparameter auswählt und miteinander kombiniert, die zueinander konsistent sind und mit denen sich die resultierende Sondenspitze auch fertigen lässt.In this way it can be ensured that the user only selects and combines subunits and construction parameters that are consistent with one another and with which the resulting probe tip can also be manufactured.
Ferner kann das Verfahren umfassen: Steuern einer Wechselwirkungsposition eines Teilchenstrahls basierend auf dem konstruierten Sondenspitzendesign.The method may further include: controlling an interaction position of a particle beam based on the constructed probe tip design.
Insbesondere kann aus dem konstruierten Sondenspitzendesign eine Steuertrajektorie für die Wechselwirkunsposition des Teilchenstrahls bestimmt werden, die dann während der Herstellung der Sondenspitze Schicht für Schicht abgerastert wird.In particular, a control trajectory for the interaction position of the particle beam can be determined from the constructed probe tip design, which is then scanned layer by layer during the manufacture of the probe tip.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass sich die Verfahren der unterschiedlichen oben beschriebenen Ausführungsformen auch miteinander kombinieren lassen. Beispielsweise kann die Mehrzahl von Untereinheiten auch gekrümmte Sockelbereiche umfassen, die derart konstruiert sind, dass sie kontinuierlich in einen Whiskerbereich übergehen können.At this point it should be pointed out that the methods of the different embodiments described above can also be combined with one another. For example, the plurality of subunits can also include curved base areas that are designed such that they can continuously transition into a whisker area.
Ferner können die Untereinheiten in der Mehrzahl an Untereinheiten jeweils mit zumindest einem der folgenden Parameter assoziiert sein:
- a. einem Anwendungsbereich der Sonde;
- b. einer für die Sonde spezifischen Messmethode;
- c. einer für die Sonde spezifischen Art von Messobjekt;
- d. einem für die Sonde spezifischem Typ von Rastersondenmikroskop; und
- e. einem Substrattyp.
- a. a scope of the probe;
- b. a measurement method specific to the probe;
- c. a type of measurement object specific to the probe;
- d. a type of scanning probe microscope specific to the probe; and
- e. a type of substrate.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Sonde für ein Rastersondenmikroskop bereit, wobei die Sonde aufweist: ein Substrat und eine auf dem Substrat angeordnete Sondenspitze, wobei eine seitliche Oberfläche eines Sockelbereich der Sondenspitze eine im Wesentlichen negative Krümmung aufweist; und wobei die Sonde nach einem Verfahren nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen des vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist.In a further embodiment, the present invention provides a probe for a scanning probe microscope, the probe comprising: a substrate and a probe tip arranged on the substrate, wherein a lateral surface of a base region of the probe tip has a substantially negative curvature; and wherein the probe is made by a method according to any one of the preceding embodiments of the present invention.
Wie oben bereits detailliert ausgeführt weisen derartige Sonden eine signifikant niedrigere Abbruchwahrscheinlichkeit auf als konventionelle Sonden mit einem vergleichbaren Auflösungsvermögen.As already explained in detail above, such probes have a significantly lower probability of termination than conventional probes with a comparable resolution.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung einer oder einer Mehrzahl von Sonden für ein Rastersondenmikroskop bereit, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel zum Durchführen eines Verfahrens nach einer der vorgehend beschriebenen Ausführungsformen; und Mittel zum Ausführen eines Computerprograms.In a further embodiment, the present invention provides a device for producing one or a plurality of probes for a scanning probe microscope, the device comprising: means for carrying out a method according to one of the embodiments described above; and means for executing a computer program.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammbereit mit Anweisungen zum Durchführung eines Verfahrens nach einer der vorgehend beschriebenen Ausführungsformen mit einer wie vorgehend beschriebenen Vorrichtung.In a further embodiment, the present invention provides a computer program with instructions for carrying out a method according to one of the previously described embodiments with a device as described above.
Eine solche Vorrichtung und / oder ein solches Computerprogramm ermöglichen es insbesondere sondergefertigte, anwendungsspezifische Sonden mit robusten und verschleißarmen Sondenspitzen in einem automatisierten Verfahren in großer Stückzahl und mit gleichbleibender Qualität herzustellen.Such a device and / or such a computer program make it possible, in particular, to manufacture custom-made, application-specific probes with robust and low-wear probe tips in an automated process in large numbers and with constant quality.
FigurenlisteFigure list
Gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben. Diese Zeichnungen zeigen:
-
1 ein schematischer Querschnitt durch eine aus dem Stand der Technik bekannte Sonde -
2 eine teilchenoptische Aufnahme einer aus dem Stand der Technik bekannten Sondenspitze -
3 eine schematische Darstellung einer Sondenspitze für Rastersondenmikroskope, die mit einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann -
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Trajektorie einer Wechselwirkungsposition eines Teilchenstrahls beim Erzeugen einer Sondenspitze für Rastersondenmikroskope gemäß einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
5 eine schematische Darstellung eines Probenhalters einer Teilchenstrahlvorrichtung zur Herstellung von Sonden für Rastersondenmikroskope gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
6 Block-Ablaufdiagram eines automatisierten Verfahrens zur Herstellung einer Vielzahl von Sonden für Rastersondenmikroskope nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
7 eine schematische Seitenansicht und Draufsicht einer Sonde für Rasterkraftmikroskope, die mit einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann -
8 ein Diagramm zur Darstellung von Transformationen zwischen verschiedenen Koordinatensystemen, die bei der Herstellung von Sonden für Rastersondenmikroskope gemäß einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden -
9 drei schematische Draufsichten auf einen Teil einer Sonde während des Justierens eines Teilchenstrahls gemäß einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
10 eine schematische Darstellung eines Konstruktionsverfahrens für anwendungsspezifische Sonden für Rastersondenmikroskope nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
11 schematische Darstellung eines Sondenspitzendesigns mit modifizierbaren Abmessungen gemäß einem Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
-
1 a schematic cross section through a probe known from the prior art -
2nd a particle-optical recording of a probe tip known from the prior art -
3rd is a schematic representation of a probe tip for scanning probe microscopes, which can be generated with a method according to an embodiment of the present invention -
4th is a schematic representation of an exemplary trajectory of an interaction position of a particle beam when generating a probe tip for scanning probe microscopes according to a method according to an embodiment of the present invention -
5 is a schematic representation of a sample holder of a particle beam device for producing probes for scanning probe microscopes according to an embodiment of the present invention -
6 Block flow diagram of an automated method for manufacturing a plurality of probes for scanning probe microscopes according to an embodiment of the present invention -
7 is a schematic side view and plan view of a probe for atomic force microscopes, which can be generated with a method according to an embodiment of the present invention -
8th a diagram illustrating transformations between different coordinate systems that are used in the manufacture of probes for scanning probe microscopes according to a method according to an embodiment of the present invention -
9 three schematic plan views of part of a probe during the adjustment of a particle beam according to a method according to an embodiment of the present invention -
10th is a schematic representation of a construction method for application-specific probes for scanning probe microscopes according to an embodiment of the present invention -
11 schematic representation of a probe tip design with modifiable dimensions according to a method according to an embodiment of the present invention
Detaillierte Beschreibung einiger AusführungsbeispieleDetailed description of some embodiments
Im Folgenden werden einige beispielhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im mit Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben. Die beanspruchten Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zur Herstellung von Sonden für Rastersondenmikroskope sind jedoch nicht auf solche Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr ist zu verstehen, dass auch andere Merkmalskombinationen unter den Schutzbereich der Erfindung fallen können. Mit anderen Worten müssen nicht alle Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen vorhanden sein, um die vorliegenden Erfindung zu realisieren. Des Weiteren könne die Ausführungsformen durch Kombinieren gewisser Merkmale einer Ausführungsform mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Ausführungsform modifiziert werden, ohne von der Offenbarung und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.Some exemplary embodiments of the present invention are described below with reference to the attached drawings. However, the claimed methods, apparatus and computer program for the production of probes for scanning probe microscopes are not restricted to such embodiments. Rather, it is to be understood that other combinations of features can also fall within the scope of the invention. In other words, not all features of the described embodiments need to be present in order to implement the present invention. Furthermore, the embodiments may be modified by combining certain features of one embodiment with one or more features of another embodiment without departing from the disclosure and scope of the present invention.
Die Sondenspitze
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass der Verschleiß von Sondenspitzen direkt von ihrer Materialzusammensetzung abhängt. Für Anwendungen wie die Reparatur von Photolithographiemasken sind beispielsweise sogenannte DLC-Spitze (DLC: diamond like carbon) vorzuziehen, da es sich um ein sehr hartes Material handelt. Um eine solche DLC-Spitze abzuscheiden, ist es zwingend erforderlich, eine saubere Depositionskammer zu verwenden. Dies kann durch regelmäßige Reinigung der Depositionskammer der Teilchenstrahlvorrichtung vor dem Laden der Substrate erreicht werden. Beispielsweise kann die Depositionskammer durch ein Plasmareinigungsverfahren und /oder auch durch Ätzgasreinigung behandelt werdenIn this context it should be mentioned that the wear of probe tips depends directly on their material composition. For applications such as the repair of photolithography masks, for example, so-called DLC tips (DLC: diamond like carbon) are preferable because it is a very hard material. In order to deposit such a DLC tip, it is imperative to use a clean deposition chamber. This can be achieved by regularly cleaning the deposition chamber of the particle beam device before loading the substrates. For example, the deposition chamber can be treated by a plasma cleaning process and / or by etching gas cleaning
Hierbei werden alle nicht automatisierbaren Verarbeitungsschritte zusammengefasst, so dass während der automatisierten Verarbeitungsphase keine Bedienertätigkeit erforderlich ist. Dies ermöglicht eine automatisierte Chargenfertigung, was die Kosten für die Spitzenfertigung und die Herstellungsdauer deutlich reduziert.Here, all processing steps that cannot be automated are combined, so that no operator work is required during the automated processing phase. This enables automated batch production, which significantly reduces the costs for top manufacturing and the production time.
Der Prozess beginnt damit, dass alle Systeme der Herstellvorrichtung (z.B. eines Elektronenmikroskops) in einen optimierten Zustand versetz werden und alle Verarbeitungsparameter richtig eingestellt werden (Setup & check SEM Zustand). Dazu können vordefinierte Prozessrezepte und vordefinierte Referenzwerte für Messparameter (z.B. der Teilchenstrahls) überprüft bzw. eingestellt werden. Optional können alle Parameter protokolliert werden, um verschiedene Qualitätssicherungsmaßnahmen zu unterstützen.The process begins with all systems of the manufacturing device (e.g. an electron microscope) being brought into an optimized state and all processing parameters set correctly (setup & check SEM state). To do this, predefined process recipes and predefined reference values for measurement parameters (e.g. the particle beam) can be checked or set. Optionally, all parameters can be logged to support various quality assurance measures.
Das Setup der Herstellungsvorrichtung beinhaltet auch das teilchenoptische Abbilden der Fiduzialmarkierungen
Dann wird ein Referenzbild (sog. goldenes Bild; engl. golden image) des ersten Sondenhalters
Das Aufnehmen des Referenzbildes dient dabei zwei Zwecken: Zuerst wird die Bildqualität vom Bediener überprüft, um sicherzustellen, dass Fokus und Stigmator korrekt eingestellt sind. Recording the reference image serves two purposes: First, the image quality is checked by the operator to ensure that the focus and stigmator are set correctly.
Zweitens wird das Referenzbild für die später verwendete Bildregistrierung (siehe Verfahrensschritt „Navigation“ unten) verwendet, was es erlaubt die weiteren Sondenrohlinge
Für die restlichen Sonden durchläuft das System automatisch die rechts neben der gestrichelten Linie in
Überprüfen des Zustands der Teilchenstrahlvorrichtung (Check SEM Zustand):Check the state of the particle beam device (Check SEM state):
In diesem Schritt wird eine automatische Prüfung der Herstellungsvorrichtung durchgeführt. Die automatisierte Prüfung vergleicht einen Satz von Parameterwerten mit den während der interaktiven Phase gemessenen Werten. Beispiele sind der Teilchenextraktionsstrom, der Teilchenstrahlstrom und Vakuumdruck in der Prozesskammer. überprüft wird hierbei auch die Gaszufuhr des Vorläufergases (z.B. der Vorläufergasdruck oder die Reservoirtemperatur). Zusätzlich kann vor dem Abscheiden jeder weiteren Sondenspitze ein Kontaminationstest durchgeführt werden.In this step, an automatic check of the manufacturing device is carried out. The automated test compares a set of parameter values with the values measured during the interactive phase. Examples are the particle extraction flow, the particle beam flow and vacuum pressure in the process chamber. The gas supply of the precursor gas (e.g. the precursor gas pressure or the reservoir temperature) is also checked. In addition, a contamination test can be carried out before separating each additional probe tip.
Automatisches Anfahren der Sondenrohlinge (Navigation)Automatic approach to the probe blanks (navigation)
In diesem Schritt des Verfahrens wird der jeweilige Sondenrohling
Das automatisierte Anfahren des jeweiligen Sondenrohlings
Mit anderen Worten dient das beschriebenen Navigationsverfahren dazu, die Relativposition der Sondenrohlinge
Dazu werden wie in
Um die Koordinaten der verschiedenen Koordinatensysteme zu transformieren, muss eine Vielzahl von Parametern ermittelt werden. Da teilchenoptische Bilder zweidimensional sind, können diese nur für die Zuordnung von X- und Y-Koordinaten verwendet werden.In order to transform the coordinates of the different coordinate systems, a large number of parameters must be determined. Since particle-optical images are two-dimensional, they can only be used for the assignment of X and Y coordinates.
Durch teilchenoptische Aufnahmen der Fiduzialmarkierungen
Mit anderen Worten kann die Position jedes der Sondenhalter
Um die noch fehlende Koordinatentransformation zwischen dem Sondenhalter
Durch aus der Bildregistrierung bekannte Verfahren wie z.B. einem Korrelationsverfahren oder einem auf räumlicher Fourier-Analyse basierten Verfahren kann eine optimale Transformation zwischen dem jeweiligen Objektbild und dem während der interaktiven Phase aufgenommenen Referenzbild des ersten Sondenhalters
Durch Kombination mit der bereits bekannten XY-Abbildung zwischen den Koordinaten des Probentisches und jedem der Sondenhalter
Die resultierende XY-Abbildung kann nun beispielsweise verwendet werden, um die Mitte jedes des Federbalken
Das Bestimmen der Koordinatentransformation in Z-Richtung basiert einerseits auf sehr genau bekannte Höhenunterschieden zwischen Probentisch, Probenhalter
Die noch verbleibende Unsicherheit im Höhenunterschied zwischen der Oberfläche des Probenhalters
Autofokus und automatisierte Astigmatismuskorrektur (Autofocus, Autostig)Autofocus and automated astigmatism correction (autofocus, autostig)
Um den bestmöglichen Fokus des Teilchenstrahls, der für das automatisierte Erzeugen der Sondenspitzen
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Methoden zur Automatisierung der Fokussierung und Astigmatismuskorrektur (Auto-Stig) von Teilchenmikroskopen und Teilchenstrahlvorrichtungen bekannt, die jedoch die spezifischen Anforderungen an das teilchenstrahlinduzierte Erzeugen und / oder Bearbeiten von Sondenspitzen für Rastersondenmikroskope nicht vollständig berücksichtigen.Numerous methods for automating the focusing and astigmatism correction (auto-stig) of particle microscopes and particle beam devices are known from the prior art, but these do not fully take into account the specific requirements for the particle beam-induced generation and / or processing of probe tips for scanning probe microscopes.
Falls eine Sondenspitze
Aus diesem Grund wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das folgende Vorgehen vorgeschlagen:
Zuerst werden Markierungen 720 auf beiden Seiten der Zielposition für die zu fertigende Sondenspitze320 erzeugt. Dann wird mit demErzeugen der Sondenspitze 320 begonnen.Die Markierungen 720 können dann exakt von oben abgebildet werden (da sich der Probentisch der Teilchenstrahlvorrichtung noch in der gleichen Position und Ausrichtung wie beim Erzeugen der Sondenspitze befindet). Mit etablierten Bildverarbeitungsverfahren (Konturerfassung, Kreiserkennung durch Hough-Transformation, etc.) kann dann der Durchmesser des Schafts der spitzenähnlichen Markierungen720 und Abweichungen von der vorgesehenen Kreisform bestimmt werden
- First are
marks 720 on both sides of the target position for the probe tip to be manufactured320 generated. Then with the creation of theprobe tip 320 began. Themarkings 720 can then be imaged exactly from above (since the sample table of the particle beam device is still in the same position and orientation as when the probe tip was generated). The diameter of the shaft of the tip-like markings can then be established using established image processing methods (contour detection, circle recognition by means of Hough transformation, etc.)720 and deviations from the intended circular shape are determined
Beispiele für Algorithmen zur Berechnung von Konturen aus einem teilchenoptischen Bild sind Schwellenwertbildung (z.B. Otsu's Verfahren), Canny-Kantenerkennung, Segmentierung und Wasserscheidenalgorithmen.Examples of algorithms for calculating contours from a particle-optical image are threshold value formation (e.g. Otsu's method), Canny edge detection, segmentation and watershed algorithms.
Die Analyse der Größe und Form der Kontur des teilchenoptischen Bildes der Markierungen
Nachdem die Kontur jeder Markierung
Zusätzlich können Kreise an die Konturen der Markierungen
Auch ist es möglich an einer weiteren Position eine Testspitze
Diese Information kann verwendet werden um iterativ und automatisch den Teilchenstrahl zu Fokussieren und einen ggf. vorhanden Astigmatismus zu korrigieren. Die optimierten Einstellungen für den Stigmator und den Fokus sind erreicht, wenn das Verhältnis der Halbachsen der gefitteten Ellipsen so nah wie möglich an 1 liegt und der Kreisradius so klein wie möglich ist. Automatisierte Verfahren zur Optimierung von Teilchenstrahloptiken sind aus dem Stand der Technik bekannt und können auf die vorliegende Optimierungsaufgabe angepasst werden. Durch das Verwenden von zwei Markierungen
Das beschriebenen Verfahren befasst sich dabei nicht nur mit der Frage der korrekten Fokussierung und / oder Astigmatismuskorrektur bei spitz zulaufenden Sondenspitzen, sondern hat auch den Vorteil, dass es sich direkt auf häufig spezifizierte Sondenspitzenparameter (wie z.B. den Spitzendurchmesser) bezieht. Dies kann beispielsweise bei Sondenspitzen vorteilhaft sein, die eine speziell gewünschte Form haben sollen. Im Allgemeinen erlaubt es eine korrekte Fokussierung und /oder Astigmatismuskorrektur die Genauigkeit des Herstellungsprozesses solcher Sondenspitzen zu verbessern.The described method not only deals with the question of correct focusing and / or astigmatism correction with tapered probe tips, but also has the advantage that it relates directly to frequently specified probe tip parameters (such as the tip diameter). This can be advantageous for probe tips, for example, which should have a specially desired shape. In general, correct focusing and / or astigmatism correction allows the accuracy of the manufacturing process of such probe tips to be improved.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist auch auf Federbalken ohne StandardSpitzen anwendbar.The method described above can also be used on cantilevers without standard tips.
Erzeugen der Sondenspitze (Tip deposition)Generation of the probe tip (tip deposition)
Das Erzeugen der Sondenspitze
Insbesondere ist das Erzeugen der Sondenspitze bereits automatisiert möglich (siehe
Nach dem Erzeugen jeder Sondenspitze kann optional ein weiteres teilchenoptisches Bild aufgenommen werden, um das Ergebnis aufzuzeichnen. Optional kann dabei der Probenhalter
In einem nächsten Schritt
In einem nächsten Schritt
In einem weiteren Schritt
Nachdem die Überprüfung des Sondenspitzendesigns abgeschlossen ist, kann eine Datei mit Fertigungsanweisungen, wie z.B. einer Trajektorie für die Wechselwirkungsposition des Teilchenstrahls, einer Spezifikation für die Rasterschrittweite, etc. erstellt werden und an die für die Fertigung der Sondenspitze verwendeten Herstellungsvorrichtung übermittelt werden.After the probe tip design review is complete, a file with manufacturing instructions such as a trajectory for the interaction position of the particle beam, a specification for the step size, etc. are created and transmitted to the manufacturing device used for the manufacture of the probe tip.
Im Wesentlichen funktioniert der Konstruktions- und Fertigungsprozess der Sondenspitze ähnlich den aus der additiven Fertigung von mechanischen Bauteilen bekannten Prozessschritten. Insbesondere kann der Anwender das Sondenspitzendesign an einem anderen Ort, beispielsweise über eine Web-basierte Anwendung erstellen und in Form einer standardisierten Fertigungsdatei an eine beliebige Fertigungseinrichtung versenden.Essentially, the design and manufacturing process of the probe tip works similar to the process steps known from the additive manufacturing of mechanical components. In particular, the user can create the probe tip design at another location, for example via a web-based application, and send it to any manufacturing facility in the form of a standardized manufacturing file.
Durch die in den Konstruktionsprozess integrierte Überprüfung des Sondenspitzendesigns wird sichergestellt, dass die Sondenspitze auch herstellbar ist. Nachdem eine gewünschte Anzahl an Sonden fertiggestellt worden ist, können diese bei der Fertigungseinrichtung verpackt und an den jeweiligen Anwender verschickt werden. Dadurch wird die Massenfertigung anwendungsspezifischer Sonden für Rastersondenmikroskope ermöglicht.The verification of the probe tip design integrated in the construction process ensures that the probe tip can also be manufactured. After a desired number of probes has been completed, they can be packed at the manufacturing facility and sent to the respective user. This enables the mass production of application-specific probes for scanning probe microscopes.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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